半導(dǎo)體激光器期中報(bào)告

1、半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用 張小興20164208079u半導(dǎo)體激光器的發(fā)展u半導(dǎo)體激光器的特性u(píng)半導(dǎo)體激光器的分類u半導(dǎo)體激光器的典型應(yīng)用u半導(dǎo)體激光器市場及發(fā)展u新波長及其應(yīng)用u總結(jié)目錄半導(dǎo)體激光器的發(fā)展1962年：第一臺(tái)半導(dǎo)體激光器是同質(zhì)結(jié)的，即和普通的p-n結(jié)極管一樣。這種 同質(zhì)結(jié)激光器有源區(qū)的厚度為電 子擴(kuò)散長度量級(jí)(微米量級(jí))，閾值電 流密度需達(dá)到105A /cm2，因此只能在液氮溫度(77 K)和脈沖狀態(tài)下工作。1967年：出現(xiàn)的單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器由兩種不同帶隙的半導(dǎo)體材料薄層所組成， 利用高帶隙勢壘的阻擋作用，使閾值電流密度降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，并實(shí) 現(xiàn)了在室溫下脈沖工作。半導(dǎo)體激光器的

2、發(fā)展1970年: 雙異質(zhì)結(jié)激光器出現(xiàn)。雙異質(zhì)結(jié)激光器是將窄帶隙并具有高折射率的 半導(dǎo)體材料夾在兩個(gè)寬帶隙并具有低折射率的半導(dǎo)體材料之間，因而 可以利用帶隙勢壘和光波導(dǎo)將載流子和光子有效地限制在有源區(qū)內(nèi)。 從而使閾值電密度又降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，并實(shí)現(xiàn)了室溫下連續(xù)工作。 1978年：出現(xiàn)的量子阱激光器是把窄帶隙超薄層夾在兩個(gè)寬帶隙勢壘薄層之間， 由于有源層的厚度被減少到同電子德布羅意波長(約為10 nm)差不多， 即量子化尺寸。半導(dǎo)體激光器的特性轉(zhuǎn)換效率高：70%。體積?。簩?duì)耐磨性及耐腐蝕性要求較高的金屬零件進(jìn)行表而熱處理或 局部熔覆用半導(dǎo)休激光器光束進(jìn)行熔覆與表面熱處理的優(yōu)勢電光效率高 材料吸收率

3、高 使用維護(hù)費(fèi)用低 光斑形狀為矩形 光強(qiáng)分布均勻等材料加工激光熔覆用于激光熔覆與表面熱處理的半導(dǎo)體激光器功率：16kW 光束質(zhì)量：100400mm/mrad光斑大?。?2mm2廣泛應(yīng)用于電力、石化、冶金、鋼鐵、機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域不同熔覆方法的比較激光溶暴與 熱處理設(shè)備直接半導(dǎo) 體激光器軸流co2激光器燈泵YAG激光器半導(dǎo)體泵 YAG激光器總體轉(zhuǎn)換效率()35616每小時(shí)費(fèi)用($)1.510.030.06.0波長(m)0.810.61.061.06鋼的吸收率()40123535鋁的吸收率()13277功率密度（W/cm2）103-106103 - 338103-107103-107冷卻系統(tǒng)制冷量（K

4、w）85010060雛護(hù)間隔時(shí)間（h）10，00020-30，0001，00010，0002kW激光功枵（kW）83320033 ps：YAG釔鋁石榴石材料加工半導(dǎo)體激光器在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用 汽 車 工 業(yè) 精 密 點(diǎn) 焊 熱 傳 導(dǎo) 焊 接 管 道 的 軸 向 焊 接用于薄片金屬焊接的半導(dǎo)體激光器，焊接材料的厚度為0.12.5mm 功率為3003000W 光束質(zhì)量為40150mmmrad 光斑大小為0.41.5mm，。大功率半導(dǎo)體激光器焊接的優(yōu)點(diǎn) 熱 量 輸 入 低 ， 零 件 的 扭 曲 變 形 小 可進(jìn)行高速焊接，焊縫光滑美觀 非常適合工業(yè)焊接的不同需要，它將逐漸取代傳統(tǒng)的焊接方法半導(dǎo)體激

5、光器泵浦固體激光器(DPSSL)是大功率半導(dǎo)體激 光器應(yīng)用最多的領(lǐng)域。作為泵浦光源，半導(dǎo)體激光器有著 其它光源不可取代的優(yōu)越性。泵浦光源1、低功耗：傳統(tǒng)的燈泵浦激光器的轉(zhuǎn)換效率大約只有3%左右，泵浦燈的發(fā)出的能量大部分轉(zhuǎn)換成了熱能，造成了極大的能源浪費(fèi)。而半導(dǎo)體泵浦固體激光器所用的二極管發(fā)出固定的，被激光晶體吸收的808nm波長的激光，光光轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)40%以上，大大減少了運(yùn)行成本。半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器(DPSSL)是大功率半導(dǎo)體激 光器應(yīng)用最多的領(lǐng)域。作為泵浦光源，半導(dǎo)體激光器有著 其它光源不可取代的優(yōu)越性。泵浦光源2、性能可靠、壽命長：激光二極管的壽命大大長于閃光燈，達(dá)15000小

6、時(shí)以上，閃光燈的壽命只有3001000小時(shí)。激光半導(dǎo)體的泵浦能量穩(wěn)定性好，比閃光燈泵浦優(yōu)一個(gè)能量級(jí)，性能可靠，可制成全固化器件。運(yùn)行壽命長，成為至今為止唯一無需維護(hù)的激光器，尤其適用于大規(guī)模生產(chǎn)線。3、輸出光束質(zhì)量好：由于半導(dǎo)體泵浦激光的高轉(zhuǎn)換效率，減少了激光工作物質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)，大大改善了激光器的輸出光束質(zhì)量，激光光束質(zhì)量已接近理論極限。激光光譜學(xué)中的應(yīng)用1、半導(dǎo)體激光器在激光光譜學(xué)中的優(yōu)勢具有可調(diào)諧性：這是用于激光光譜學(xué)的半導(dǎo)體激光器的一個(gè)重要的特性，其波長可通過改變溫度或改變驅(qū)動(dòng)電流來調(diào)諧。具有高靈敏度：如對(duì)于某種氣體只要選擇合適的光譜波段就可測出低于10-9的濃度。具有高選擇性：半導(dǎo)體

7、激光器的譜線寬度可限制在多普勒寬度范圍內(nèi),從而可以減少譜線重疊，增加選擇性。波長易于調(diào)制：半導(dǎo)體激光器可用調(diào)制技術(shù)能夠減少激光的過量噪聲。光譜純度高。通常半導(dǎo)體激光器在測定譜區(qū)重復(fù)掃描，所記錄的吸收光譜是特定時(shí)間間隔內(nèi)的平均結(jié)果，因而信噪比大為提高。激光光譜學(xué)中的應(yīng)用1、半導(dǎo)體激光器在激光光譜學(xué)中的優(yōu)勢如圖即為“SPECD ILAS V-763-OXY”VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）所探測的O2吸收光譜（半導(dǎo)體激光器的工作溫度Top=10，Iset=4. 6 mA,加32 Hz，10.6 mV的鋸齒波, 256次平均）。可以看出，通過改變工作電流很容易地得到O2的兩個(gè)吸收峰，無模式跳躍。用7

8、60 nmVCSEL激光器測得O2的吸收峰激光光譜學(xué)中的應(yīng)用2、半導(dǎo)體激光器在實(shí)際中的具體應(yīng)用p UlfGustfsson應(yīng)用半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)采用直接吸收測量技術(shù)同時(shí)監(jiān)測了燃燒器中CH4，H2O及O2。該實(shí)驗(yàn)是運(yùn)用基于兩個(gè)近紅外半導(dǎo)體激光器的差頻體系實(shí)現(xiàn)的。pKai-Uwe Ple-ban利用基于760 nmVCSEL激光器的GM700-1C傳感器快速地測量了汽車排氣口氣體流體中的O2濃度。激光光譜學(xué)中的應(yīng)用2、半導(dǎo)體激光器在實(shí)際中的具體應(yīng)用p A.ROCCO等人利用在1. 997m激射的單模DFB半導(dǎo)體激光器光譜儀分別在Naple附近的Solfatara火山和意大利Eolian arc

9、hipelago的Vulcano Island監(jiān)測了火山氣體中的H2O和CO2。所測得的H2O和CO2濃度的不精確度為1%到3%。p PhilipA.Martin利用近紅外DFB半導(dǎo)體激光器裝置遙感監(jiān)測了路面上汽車尾氣中的CO和CO2氣體。該裝置的掃描周期為1s,在1h內(nèi)可測取3600個(gè)車輛,效率極高。大功率半導(dǎo)體激光器在激光醫(yī)療中也具有很重要的應(yīng)用，如激光手術(shù)刀、光能治療、激光針灸、脫毛和除發(fā)。激光醫(yī)療及美容高功率半導(dǎo)體激光器在醫(yī)療中的主要應(yīng)用波長波長/nm操作模式操作模式醫(yī)療應(yīng)用醫(yī)療應(yīng)用810，830，980連續(xù)連續(xù)激光手術(shù)刀激光手術(shù)刀800，810脈沖脈沖脫毛脫毛980脈沖脈沖祛皺祛皺1

10、450脈沖脈沖祛斑、祛皺祛斑、祛皺半導(dǎo)體激光器在醫(yī)療上的應(yīng)用u眼科：眼睛是光的讀出器官，不論是測定、診斷或治療，激光都能起到重要作用用于治療各種難治性青光眼、硅油注入術(shù)后難治性高眼壓,以及視網(wǎng)膜的光凝和固定等。研究證實(shí)半導(dǎo)體激光能以較低能量穿透鞏膜,被睫狀體組織吸收,并在上皮和基質(zhì)進(jìn)行光凝,使睫狀體無色素上皮壞死,而房水生成功能隨之抑制或喪失,進(jìn)而降低眼壓。u外科：目前, 已廣泛采用808nm低功率半導(dǎo)體激光器進(jìn)行外科手術(shù)中組織融合的研究。Wolf-deJonge研究發(fā)現(xiàn),半導(dǎo)體激光在焊接血管時(shí)其焊接點(diǎn)平 均破裂壓力與其它常用激光相比居中,但其術(shù)后動(dòng)脈瘤生成概率最低。隨著激光焊接中焊料的不斷發(fā)

11、展,半導(dǎo)體激光組織焊接牢固性也不斷增強(qiáng),在組織融合中的應(yīng)用將越來越廣泛。半導(dǎo)體激光器在醫(yī)療上的應(yīng)用u牙科：近幾年來, 在美國由以色列牙醫(yī)發(fā)明的激光無損傷性牙體美白技術(shù),獲得FDA認(rèn)可,激光牙體美白的方法在美國獲得普及應(yīng)用。美國LaserSmile公司生產(chǎn)的半導(dǎo)體diode激光牙齒美白治療儀能有效改善色澤不良牙體的顏色,尤其對(duì)黃染牙效果顯著,不失為一種安全、簡便、無損傷的新方法。u外科針灸理療科：弱激光照射可以刺激局部血液循環(huán)、促進(jìn)細(xì)胞生長、調(diào)整組織機(jī)能、提高機(jī)體免疫力、緩解痛癥及 促使創(chuàng)傷愈合等。激光針刺與傳統(tǒng)針灸相比,具有無痛、無菌、安全、操作簡便、易控制劑量等優(yōu)點(diǎn),兼有針和灸的雙重作用,在

12、內(nèi)科、外科、牙科、皮膚科、婦產(chǎn)科、中醫(yī)科、耳鼻喉科等領(lǐng)域都越發(fā)引起人們的關(guān)注,正成為一種有效的臨床治療方法。不同波長大功率半導(dǎo)體激光器應(yīng)用波長波長/nm650630-680780780-860808材料InGaAsPInGaAsPInGaAsPInGaAsPInGaAsP應(yīng)用DVD技術(shù)醫(yī)學(xué)應(yīng)用CD技術(shù)泵浦固體激光器醫(yī)學(xué)應(yīng)用、泵浦固體激光器940-98094197698014551480InGaAsInGaAsInGaAsInGaAsInGaAsP或InGaAsInGaAsP或InGaAs紅外光源、醫(yī)學(xué)應(yīng)用半導(dǎo)體泵 YAG激光器光纖激光器摻鉺光纖放大器、光纖激光器泵浦拉曼放大器摻鉺光纖放大器(1

13、) 激光雷達(dá)(2) 激光制導(dǎo)(3) 激光測距及夜視儀(4) 激光引信(5) 通信光源(6) 激光武器模擬(7) 激光瞄準(zhǔn)和告警(8) 激光通信(9) 軍用光纖陀螺軍事應(yīng)用： 激光雷達(dá)是傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)與現(xiàn)代激光技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。 具有極高的角分辨率、距離分辨率、速度分辨率高、測速范圍廣、能獲得目標(biāo)的多種圖像、抗干擾能力強(qiáng)、比微波雷達(dá)的體積和重量小等 激光跟蹤、激光測速、激光掃描成像、激光多普勒成像等技術(shù) 利用直接調(diào)制激光二極管技術(shù)的無掃描成像雷達(dá)具有極大地軍事應(yīng)用前景。激光雷達(dá)i激光制導(dǎo)l 駕束制導(dǎo)：大功率半導(dǎo)體激光器可作為發(fā)射光源直接用于激光駕束制導(dǎo)導(dǎo)彈。經(jīng)空間編碼的激光光束直接指向目標(biāo)導(dǎo)彈的彈

14、尾接收器接收激光束中的編碼信號(hào)修正導(dǎo)彈的飛行軌跡直至擊中目標(biāo)。l 激光主動(dòng)制導(dǎo)l 激光半主動(dòng)制導(dǎo)激光測距采用直接調(diào)制的脈沖半導(dǎo)體激光器可用于激光測距。目前，測距1公里的半導(dǎo)體激光測距機(jī)已經(jīng)商品化，測距精度達(dá)幾厘米。美國國際激光系統(tǒng)公司的GRS00型激光測距機(jī)， 采用GaAs激光器，脈寬40ns，發(fā)射角5mrad，測距3230m，重量10kg。激光夜視儀半導(dǎo)體激光夜視儀和激光夜視監(jiān)測儀也得到重要應(yīng)用。利用半導(dǎo)體激光器列陣主動(dòng)式夜視儀的光源具有隱蔽性，列陣功率高的特點(diǎn)，可提高監(jiān)測距離至1km，如配上掃描和圖像顯示裝置，則可成為激光夜視監(jiān)測儀。用其對(duì)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，目標(biāo)的活動(dòng)情況可適時(shí)通過光纜傳送到

15、指揮所。選擇較長的合適波長，可成為全天候監(jiān)測儀。半導(dǎo)體激光器是唯一能用于彈上引信的激光器，激光近炸引信可以準(zhǔn)確地確定起爆點(diǎn)，使彈頭適時(shí)起爆，激光發(fā)射裝置與接收裝置均置于彈的頭部。激光引信半導(dǎo)體激光器是一種理想光源，具有抗干擾、保密性好等優(yōu)點(diǎn)。激光對(duì)潛通信光源藍(lán)綠光是海水的通信窗口(460540nm)，穿透深度約300英尺， 潛艇可用藍(lán)綠光和衛(wèi)星或航空母艦進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)。倍頻半導(dǎo)體高功率激光器列陣(波長在9201080nm)就是一種這樣的光源。半導(dǎo)體激光通信光源激光模擬主要是以半導(dǎo)體激光為基礎(chǔ)發(fā)展起來的新型軍訓(xùn)和演習(xí)技術(shù)。通過調(diào)節(jié)激光射束、周期和范圍以達(dá)到模擬任何武器特征的目的。武器模擬主要使用9

16、04nm半導(dǎo)體激光器， 用對(duì)眼睛安全的激光器作為戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)的基礎(chǔ)，最初稱為激光交戰(zhàn)系統(tǒng)(LES) 。半導(dǎo)體激光武器模擬瞄準(zhǔn)具有兩類：一類以發(fā)射紅外激光的GaAs激光器為基礎(chǔ)，士兵需佩戴夜視鏡才能看清目標(biāo)上的激光光斑，以解決夜間士兵的瞄準(zhǔn)射擊問題；另一類激光瞄準(zhǔn)以發(fā)射紅色激光和可見光的半導(dǎo)體激光器為基礎(chǔ)。美國激光裝置公司在20世紀(jì)80年代推出的FA-4型激光瞄準(zhǔn)具的重量僅99g，長11.4cm。為滿足不同波長激光和可調(diào)諧激光器的探測要求，激光告警的工作波段不斷得到拓展，角分辨率也不斷得到提高。新研制的雙波段型激光告警系統(tǒng)覆蓋的波段范圍為0.451.65m，這種設(shè)備已在“豹”型坦克上得到了驗(yàn)證。

17、半導(dǎo)體激光瞄準(zhǔn)和告警半導(dǎo)體激光器在衛(wèi)星通信技術(shù)中只需要較小的望遠(yuǎn)鏡和較低的發(fā)射功率，就能實(shí)現(xiàn)光的自由空間傳輸并獲得極高的數(shù)據(jù)率傳輸。激光通信技術(shù)可用于軌道衛(wèi)星間的相互通信及衛(wèi)星與地面站的通信。其中，通信信號(hào)用的是波長為808nm的GaAlAs激光二極管，輸出功率為60mW，包括42000km的遠(yuǎn)距離傳輸。歐洲航天局已于2001年6月用Ariane5號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射Artemis衛(wèi)星，與法國空間局合作進(jìn)行半導(dǎo)體激光互連衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)。半導(dǎo)體激光通信軍用光纖陀螺是軍用光纖領(lǐng)域中用途最廣，是目標(biāo)監(jiān)測和測量方面不可缺少的技術(shù)手段。由光纖繞成環(huán)形光路，采用Sagnac干涉原理，檢測出隨轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的兩路激光束的

18、相位差， 由此得出轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。其主要優(yōu)點(diǎn)是: 無運(yùn)動(dòng)部件，儀器牢固，耐沖擊，抗加速運(yùn)動(dòng)；機(jī)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉；啟動(dòng)時(shí)間極短(原理上可瞬時(shí)啟動(dòng))；靈敏度高，可達(dá)10-7rad/s；動(dòng)態(tài)范圍極寬(約為2000度/秒)；壽命長等。在軍用民用光纖通信、光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈、制導(dǎo)魚類等方面廣泛應(yīng)用。軍用光纖陀螺半導(dǎo)體激光器市場及發(fā)展全球商用激光器總收入總額非二極管激光器二極管激光器 用于電子行業(yè)和汽車工業(yè)等制造業(yè)的半導(dǎo)體激光 器表現(xiàn)強(qiáng)勁，2012年的材料加工市場需求將會(huì)適度增長。材料加工 用于眼科和外科手術(shù)的激光器仍需求強(qiáng)勁，但美容設(shè)備激光器銷量會(huì)衰退，總體呈上升趨勢。醫(yī)療軍事應(yīng)用 用于基礎(chǔ)研究和軍事方面的激光

19、器仍然有適度增長，尤其在中紅外對(duì)抗測距及激光雷達(dá)方面。 主干網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心的光通信需求繼續(xù)增大，尤其是 40G到100G收發(fā)器、光纖到戶和主動(dòng)光纜。 在硬盤上使用激光器將容量提升一至兩代。通信與光儲(chǔ)存u405 440nmu 目前其應(yīng)用主要是低功率應(yīng)用，如405nm波長在藍(lán)光DVD 中的應(yīng)用。u 輸出功率幾瓦的半導(dǎo)體激光器可用于以下領(lǐng)域： 絲網(wǎng)印刷中的環(huán)氧樹脂固化 印刷與半導(dǎo)體行業(yè)中的光刻 摻鐠（Pr)晶體和光纖的泵浦新波長及其應(yīng)用u630 690nmu 該波段范圍內(nèi)的低功率產(chǎn)品通常用于指示器和DVD u 基于砷化鎵（GaAs)晶體上的銦鎵鋁磷（InGaAlP)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器巴條，能夠?qū)崿F(xiàn)高功率半導(dǎo)體激光器，其在630nm的輸出功率可達(dá)幾瓦，在680nm的輸出功率最 高約達(dá)20W。u 這些波長可用于光動(dòng)力治療（PDT)、泵浦摻鉻釔鋁石榴石晶體固體激光器以產(chǎn)生超短脈沖、照明、全息以及顯示 等諸多領(lǐng)域。新波長及其應(yīng)用u808 976nmu 主要用于固體激光器材料的泵浦u 除了泵浦固體激